Electronic structure of aperiodic and natural nucleic acid segments and influence of mutations in charge transfer and transport properties

Abstract

Today, the investigation of biomolecules' structure and properties - especially these of the nucleic acids (DNA, RNA) - is emerged as a high significance issue. The electronic structure of DNA attracts considerable interest among a broad spectrum of interdisciplinary scientists and engineers. Its charge transfer and transport properties are being studied with respect not only to its biological functions and its significance, e.g., in carcinogenesis and mutagenesis, but also to its potential applications in molecular electronics. This research aims to the study of the electronic structure of nucleic acid bases and similar almost planar organic molecules, as well as the investigation of charge transfer and charge transport properties along B-DNA sequences, by employing a simple and broadly used theoretical method, i.e., Tight-Binding (TB). It also discusses the possibility of using charge transport as a diagnostic tool in discrimination between pathogenic and nonpathogenic mutations. The semi-empirical Linear Combination of Atomic Orbitals (LCAO) method is introduced to calculate the ionization and excitation energies of nucleic acid bases and similar biologically important molecules as well as assemblies of DNA bases, along with a novel parameterization employing all valence orbitals. Then, we outline the TB method for charge transfer of an extra carrier along DNA, and we also introduce the physical quantities studied. More specifically, we employ a TB wire model, where the base pairs are the sites of the chain, to study the spectral and charge transfer properties of periodic sequences with increasing repetition unit, as well as deterministic aperiodic DNA segments. In addition, we address the impact of structural flexibility on the electronic structure and charge transfer ability of B-DNA. To this end, we apply our LCAO method to 20 AA and GG dimers, extracted from representative structures in a classical Molecular Dynamics trajectory of a 20mer, and study some useful physical quantities. Finally, we move on to investigate charge transport along DNA molecules, using the Schrödinger equation together with the Transfer-Matrix Method in order to finally obtain current-voltage I-V curves. We examine ideal and natural geometries concerning two categories of mutations: (i) DNA sequences that contain point substitution mutations, and (ii) sequences extracted from segments of human chromosomes, modified by expansion of the CAG triplet to mimic diseases (STR expansion mutations) like Huntington's disease, Kennedy's disease, spinocerebellar ataxia 6 and 7.

Τα νουκλεϊκά οξέα (DNA, RNA) είναι σύνθετα βιολογικά μακρομόρια, αποτελούμενα από αλληλουχίες νουκλεοτιδίων και περιέχουν γενετική πληροφορία. Τα τελευταία χρόνια, το DNA και οι ιδιότητές του που σχετίζονται με τη μετακίνηση φορτίου κατά μήκος του, έχουν προσελκύσει το ενδιαφέρον διαφόρων επιστημονικών κλάδων, από τις βιοεπιστήμες και τη φυσικοχημεία μέχρι τη νανοτεχνολογία. Τα ζεύγη βάσεων του DNA, καθώς και η αλληλουχία τους, δημιουργούν έναν π-δρόμο, λόγω της επικάλυψης των π μοριακών τροχιακών τους. Αυτή η επικάλυψη επιτρέπει τη μετακίνηση φορέων ηλεκτρικού φορτίου, οπών ή ηλεκτρονίων. Ο όρος μετακίνηση περιλαμβάνει τη μεταβίβαση και τη μεταφορά. Το DNA παρέχει τη δυνατότητα κατασκευής μιας μεγάλης ποικιλίας διαφορετικών πολυμερών, συνδυάζοντας τα διαφορετικά ζεύγη βάσεων (Αδενίνη-Θυμίνη, Γουανίνη-Κυτοσίνη) με διαφορετικούς τρόπους. Κατ' αυτό τον τρόπο είναι δυνατό να δημιουργηθούν κατ' επιθυμίαν ακολουθίες, κατάλληλες να επιτελέσουν μια συγκεκριμένη λειτουργία, και κατά συνέπεια προσφέρεται η δυνατότητα ρύθμισης των ιδιοτήτων μιας διάταξης. Επιπλέον, η μεταβίβαση φορτίου κατά μήκος του μορίου του DNA επιτελεί σημαντικό βιολογικό ρόλο, καθώς φαίνεται να σχετίζεται με την καρκινογένεση και τη μεταλλαξιγένεση, ενώ η μακράς εμβέλειας μεταβίβαση φαίνεται να συνδέεται με τις διαδικασίες καταστροφής και επιδιόρθωσης του DNA. Η παρούσα Διδακτορική Διατριβή επιχειρεί να αποτελέσει μια συστηματική θεωρητική μελέτη της ηλεκτρονικής δομής των νουκλεϊκών οξέων, των αζωτούχων βάσεων και παρομοίων οργανικών μορίων, καθώς και των ιδιοτήτων μεταβίβασης και μεταφοράς φορτίου στο DNA, όπως και να συμβάλει στην ανάπτυξη θεωρητικών εργαλείων για την ανίχνευση μεταλλάξεων. Για τη μελέτη χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος του Γραμμικού Συνδυασμού των Ατομικών Τροχιακών (Linear Combination of Atomic Orbitals, LCAO) και το Πρότυπο της Ισχυρής Δέσμευσης (Tight-Binding, TB). Η μέθοδος αυτή έχει το πλεονέκτημα της εύκολης και γρήγορης εφαρμογής σε μεγάλης έκτασης συστήματα, παρέχοντας αποτελέσματα προσαρμόσιμης ακρίβειας. Αρχικά, μελετήθηκε η ηλεκτρονική δομή των βάσεων των νουκλεϊκών οξέων και παρόμοιων μορίων με τη μέθοδο LCAO. Στους υπολογισμούς συμπεριελήφθησαν όλα τα ατομικά τροχιακά σθένους και τα αποτελέσματα συγκρίθηκαν με αντίστοιχα υπολογισμών που λαμβάνουν υπόψη μόνο τα 2pz ατομικά τροχιακά, υπολογισμών από πρώτες αρχές, καθώς και με πειραματικές τιμές των ενεργειών ιονισμού και διέγερσης. Επιπλέον, υπολογίστηκαν οι αντίστοιχες τιμές για τα ζεύγη βάσεων (Αδενίνη-Θυμίνη, Γουανίνη-Κυτοσίνη). Ακολούθως, μελετήθηκε η μεταβίβαση φορτίου σε διάφορα πολυμερή τμήματα DNA. Το Πρότυπο Σύρματος (Wire Model) της TB Μεθόδου εφαρμόζεται στην περιγραφή της μεταβίβασης φορτίου στο B-DNA σε επίπεδο ζευγών βάσεων. Υπολογίστηκαν οι παράμετροι μεταβίβασης (επιτόπιες ενέργειες και ολοκληρώματα αλληλεπίδρασης) χρήσει της παραμετροποίησης η οποία μεταχειρίζεται όλα τα ατομικά τροχιακά σθένους. Έχοντας το πλήρες σύνολο των απαιτούμενων για τη χρήση της μεθόδου ΤΒ παραμέτρων, μελετήθηκαν περιοδικές ακολουθίες DNA με αυξανόμενη μονάδα επανάληψης, οι οποίες αποτελούνται είτε από το ίδιο είτε από διαφορετικά ζεύγη βάσεων. Υπολογίστηκαν φυσικά μεγέθη όπως: το ενεργειακό φάσμα, η πυκνότητα καταστάσεων, η μέση πιθανότητα εύρεσης του φορέα σε κάθε μονομερές, το συχνοτικό περιεχόμενο και ο καθαρός μέσος ρυθμός μεταβίβασης. Τα αντίστοιχα χαρακτηριστικά μεγέθη μελετήθηκαν και για την περίπτωση ορισμένων οιονεί περιοδικών (Fibonacci, Thue-Morse, Double-Period, Rudin-Shapiro) και μορφοκλασματικών (Cantor Dust, Asymmetric Cantor Set) ακολουθιών. Συγκρίνοντας τα αποτελέσματα για τα περιοδικά και τα απεριοδικά πολυμερή, διαπιστώνουμε ότι η μεταβίβαση φορτίου ευνοείται σε γενικές γραμμές στα περιοδικά συστήματα. Πάντως, τα ομοπολυμερή, τα οποία είναι και τα απλούστερα δομικά πολυμερή, αποτελούν άνω όριο για όλες τις κατηγορίες πολυμερών, παρουσιάζουν δηλαδή ευκολότερη μεταβίβαση. H παραπάνω ανάλυση εφαρμόστηκε και για τον υπολογισμό των μέσων ρυθμών μεταβίβασης ορισμένων ακολουθιών οι οποίες έχουν χρησιμοποιηθεί σε πειράματα. Διερευνήθηκε, επιπλέον, η επίδραση της δομικής μεταβλητότητας στην ηλεκτρονική δομή και στην ικανότητα μεταβίβασης φορτίου κατά μήκος του DNA. Για τη διερεύνηση αυτή επιστρατεύτηκαν 10 διμερή Αδενίνη-Θυμίνη/Αδενίνη-Θυμίνη και άλλα 10 Γουανίνη-Κυτοσύνη/Γουανίνη-Κυτοσύνη, τα οποία εξήχθησαν αφού εφαρμόστηκε η μέθοδος της Μοριακής Δυναμικής σε ένα 20μερές. Για τα συστήματα αυτά υπολογίστηκαν διάφορες παράμετροι (όπως το μέγιστο ποσοστό μεταβίβασης και τα ολοκληρώματα μεταβίβασης), σχετιζόμενες με δομικές παραμέτρους. Επιπλέον, περιλαμβάνεται σύγκριση ορισμένων αποτελεσμάτων που προκύπτουν με χρήση του Προτύπου TB, με λεπτομερέστερες μεθόδους από πρώτες αρχές. Το Πρότυπο TB μπορεί να δώσει μια γρήγορη εκτίμηση των προς μελέτη ποσοτήτων. Τέλος, παρουσιάζεται συνοπτικά η μέθοδος των Πινάκων Μεταβίβασης (Transfer Matrix Method) η οποία εφαρμόστηκε για τη μελέτη της ηλεκτρονικής δομής και της μεταφοράς φορτίου κατά μήκος ακολουθιών DNA που αφορούν περιπτώσεις: α) σημειακών μεταλλάξεων και β) μεταλλάξεων που προέρχονται από επανάληψη της τριπλέτας CAG (Short Tandem Repeat (STR) expansions) και στην παρούσα εργασία μελετήθηκαν εξ αυτών οι: νόσος Huntington, νόσος Kennedy, νωτιαία παρεγκεφαλιδική αταξία 6 και 7. Μελετήθηκαν τόσο περιπτώσεις ιδανικών πολυμερών, όσο και φυσικών. Το πιο χρήσιμο χαρακτηριστικό στη μελέτη της μεταφοράς φορτίου είναι οι χαρακτηριστικές καμπύλες I-V . Κατά την εισαγωγή μεταλλάξεων, οι καμπύλες αυτές αλλάζουν σημαντικά. Συμπερασματικά, στο μέλλον, η μελέτη της μεταφοράς φορτίου δύναται να αποτελέσει ένα νέο εργαλείο για την ανίχνευση μεταλλάξεων.